谈小半径弯箱梁桥设计

吴念

(中交第二航务工程勘察设计院有限公司，湖北武汉 430000)

近些年来，随着公路和城市道路建设的飞快发展，涉及到曲线桥的桥梁设计已经越来越多了，对于大半径的曲线梁桥，以前往往采用以直代曲，或者使用单梁法进行模拟计算，计算结果也可以满足设计和使用的要求，但是随着越来越多的城市立交建设的需要，小半径的匝道桥越来越多，这时再用上面的方法进行简单的模拟计算，结果是不准确的，必须要采用梁格法或者其他更精确的方法进行计算。

与直线梁相比，曲线梁的受力有以下特点:1)轴向变形与平面内弯曲的耦合;2)竖向挠曲与扭转的耦合;3)它们与截面畸变的耦合。其中最主要的是挠曲变形与扭转变形的耦合。

曲线梁在竖向荷载作用下会同时产生弯矩和扭矩，且其大小会相互影响，由于曲线外侧部分梁总比曲线内侧部分梁重，所以在自重荷载作用下，外侧支点反力比内侧支点反力要大，在活载，基础不均匀沉降，温度力等荷载共同作用下，曲线内侧支点反力可能会出现拉力，因此在做曲线梁设计时，往往需要对支座设置横向的偏心距，以避免某些支座在荷载最不利组合时出现拉力。

梁格法是目前最常用的分析曲线梁的方法，梁格法的实质是用一个等效的梁格来代替桥梁上部结构，是一种以梁单元为基本单元的有限元法，梁格法的概念明确，通常采用MIDAS软件建立的梁格模型建模方便，计算速度也较快。本文就是通过MIDAS 2010软件建立梁格模型，分析一个半径只有30 m的连续梁桥选用不同的支撑形式时梁的受力情况，从而得到一些有用的结论。

1 小半径弯箱梁设计应注意的问题

1.1 结构受力上应注意的问题

结构受力上要注意调整梁内的扭矩分布，尽量使梁截面的受力更均匀。小半径的弯箱梁各截面都处于“弯、剪、扭”的复杂受力状态，其应力分布比同跨径的直线梁桥要复杂，因此，在进行截面设计时，要尽量选择抗扭刚度比较大的截面形式，比如箱形截面，同时要根据JTG D62-2004公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范的规定，在桥跨范围内设置一些横隔板，以加强结构的横桥向刚度。

1.2 结构变形上应注意的问题

结构变形上要注意控制梁端纵横向变位及翘曲变形，使之符合规范的要求，设计时可以通过调整跨径的布置和边界条件来达到这个目标。1)在跨径搭配上，要控制边跨跨径，使边跨跨径和中跨跨径比较接近，这样可以大大减小内侧支座出现拉力的情况;2)在边界条件方面，由于边界条件影响到整个结构的受力状态，因此，在实际设计时，要分别采用不同的约束形式进行试算，通过分析试算结果来确定结构的边界条件。

2 设计实例

某码头引桥是一座4跨钢筋混凝土曲线弯梁桥，跨径组合为:11 m+16 m+10 m+10 m，曲线半径为30 m，梁的截面形式为单箱单室直腹板箱梁，梁高1.3 m，跨中顶底板厚25 cm，支点处顶底板厚50 cm，腹板厚度全桥统一为75 cm，桥面宽度为:0.5 m(防撞护栏)+5 m(行车道)+0.5 m(防撞护栏)=6 m，箱梁一般构造图见图1，横断面图见图2。

图1 箱梁一般构造图

图2 箱梁横断面图

2.1 模型的建立

采用MIDAS 2010软件建立梁格法模型，计算考虑的主要荷载包括:箱梁的自重，铺装，防撞护栏重量，温度力，离心力，车辆荷载(本码头引桥上的汽车活载只考虑一辆重55 t的标准车辆荷载)等，为了得到箱梁的最佳受力状态，使箱梁截面和支座的受力比较均匀，建立2个不同约束情况的模型，通过分析比较得到较好的支座布置形式。模型1:弯箱梁端支点采用两点支撑，中间支点采用单点支撑;模型2:所用支点横桥向均采用两点支撑。模型1和模型2的结构离散图分别见图3和图4。

图3 模型1

2.2 计算结果

由于本桥为小半径的弯箱梁桥，并且跨径布置受到条件的限制不能变动，使得跨径的布置从结构受力上来讲并不是十分合理，在不设置支座偏心时，部分支座会出现拉力，经过分析计算模型1和模型2都需要设置支座偏心才能使所有支座都处于受压状态，模型1和模型2的支座偏心设置情况见表1(表中偏心距以向外侧腹板偏移为正)。

图4 模型2

表1 支座偏心布置情况表

按照上面的支座偏心布置计算后得到各截面腹板内力以及各截面腹板位移，见表2，表3。

表2 各截面腹板弯矩对照表

表3 各截面腹板位移对照表

3 结语

小半径弯箱梁桥受力复杂，在恒载和活载的作用下，箱梁曲线内侧和外侧腹板的受力不均匀，通过上面的分析比较，可以得到以下几点结论:

1)恒载作用下，无论中间支点选择单点支撑还是两点支撑，外侧腹板的受力都比内侧腹板的受力要大，而且跨径越大，受力差别越大。对比中间支点是单点支撑和两点支撑时内外腹板的弯矩可知:恒载作用下，选择单点支撑和两点支撑对腹板受力的影响不大。

2)车辆活载作用下，中间支点选择单点支撑和两点支撑时都是外侧腹板的受力比内侧腹板的受力要大，相比恒载作用，在活载作用下，外侧腹板和内侧腹板受力的差别要小一些。

3)本连续弯梁桥的跨径差别相对较大，最大跨径是最小跨径的1.6倍，在计算的过程中，发现在保证各支座不出现拉力的前提下，要保持各支点横向支座的间距相等很困难，因此，在设置支座时将支点2的横向间距设为1.65 m，其他支点的支座横向间距都为1.5 m。由此可知:在一般设计的时候，如果不是受条件限制，最好将连续梁各跨的跨径设为一样的，这样可以使梁的受力更均匀，梁底支座的偏心也可以保持一致，给设计和施工都减小难度。

4)由表3可知，在恒载作用下或在活载作用下，无论中间支点选择单点支撑还是两点支撑，外侧腹板的变形都比内侧腹板的变形要大，并且，两点支撑比单点支撑时腹板的变形要小，因此从结构变形上来讲，中间支点设置两点支撑比设置单点支撑要好一些。

［1］ 邵荣光.混凝土弯梁桥［M］.北京：人民交通出版社，1996.

［2］ 孙广华.曲线梁桥计算［M］.北京：人民交通出版社，1997.

［3］ 邓安泰.混凝土曲线箱梁桥的受力性能研究［J］.市政·交通·水利工程设计，2008(8)：115-117.

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